好氧堆肥是在合適的條件下，利用土著微生物或人工接種劑，人為地促進(jìn)可生物降解的有機(jī)物向穩(wěn)定的腐殖質(zhì)生化轉(zhuǎn)化過程。堆肥過程一般可分為升溫階段、高溫階段和降溫階段。在升溫-高溫階段垃圾中底物濃度較高，可以為微生物的生長繁殖提供足夠的養(yǎng)分，此時(shí)微生物濃度是堆肥的限制因素；在高溫-降溫階段隨著有機(jī)物的分解和微生物的生長繁殖，底物濃度成為堆肥的限制因素。因此，作出分階段動(dòng)力學(xué)分析有助于較深地了解堆肥系統(tǒng)和競爭過程的復(fù)雜性。 
本文將在微生物接種堆肥過程中，利用實(shí)際接種堆肥數(shù)據(jù)研究堆肥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，分升溫-高溫和高溫-降溫兩個(gè)階段，討論可能對限制堆肥反應(yīng)速率產(chǎn)生影響的因素。 
1實(shí)驗(yàn)方法 
1.1實(shí)驗(yàn)材料和儀器 
材料：高效復(fù)合微生物菌劑（主要包括：康氏木霉、白腐菌、變色栓菌、固氮菌、解磷菌、解鉀菌及EM菌群）和生活垃圾。生活垃圾的性質(zhì)如表1所示。 
儀器：烘箱、堆肥反應(yīng)器、O2、H2S測定儀、CO2測定儀等。 
表1堆肥所用生活垃圾主要成分 


注：表中主要成分均為質(zhì)量分?jǐn)?shù)。 
1.2實(shí)驗(yàn)方法 
取生活垃圾，經(jīng)分選后裝入堆肥反應(yīng)器。改變堆肥初始溫度、含水率、堆料尺寸及C/N值，研究堆肥反應(yīng)過程。反應(yīng)器出口與O2-H2S測定儀、CO2測定儀相連。在線監(jiān)測O2-H2S、CO2氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)。堆肥原料供氧由供氧泵和氣體流量計(jì)控制，出口O2控制在8%-15%，供氧速度定為0.8L/(min?kg）。堆層透氣性由H2S氣體質(zhì)量分?jǐn)?shù)控制，每天從反應(yīng)器中取出150g樣品，進(jìn)行生物化學(xué)分析。堆肥反應(yīng)試驗(yàn)工藝流程如圖1所示。 
1.3分析監(jiān)測計(jì)算方法 
由于固體廢棄物不易混合均勻而很難準(zhǔn)確監(jiān)測，實(shí)驗(yàn)通過直接測定堆肥過程中消耗的O2量，按式（1)計(jì)算堆肥反應(yīng)速率。 


圖1堆肥反應(yīng)實(shí)驗(yàn)工藝流程 

式中：v為堆肥反應(yīng)速率，g/(kg?h）；a為單位質(zhì)量有機(jī)質(zhì)分解的需氧量（在本實(shí)驗(yàn)條件下取1.27g/kg）；A‰為氧的質(zhì)量濃度g/L；R為耗氧速率，L/（h?kg）；S為底物質(zhì)量濃度，g/kg；X為微生物質(zhì)量濃度，g/kg。 
2實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論 
21升溫-高溫階段動(dòng)力學(xué)分析 
在升溫-高溫階段，由于垃圾中底物濃度較高，而微生物濃度相對不足，因此認(rèn)為該階段微生物濃度是堆肥反應(yīng)的限制因素。實(shí)驗(yàn)采用日本靜岡生產(chǎn)的靜態(tài)堆肥反應(yīng)裝置，通過研究接種復(fù)合微生物菌劑和對照組堆肥過程中反應(yīng)速率和微生物濃度之間的關(guān)系，對升溫-高溫階段堆肥過程作出反應(yīng)動(dòng)力學(xué)分析，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖2、圖3和圖4所示。 


圖2接種組底物分解速率與微生物濃度之間的關(guān)系 


圖3接種組底物分解速率倒數(shù)與微生物濃度倒數(shù)之間的關(guān)系 


圖4對照組底物分解速率倒數(shù)與微生物濃度倒數(shù)之間的關(guān)系 
從圖2可見，堆肥反應(yīng)速率曲線隨微生物濃度的增加，反應(yīng)速率逐漸趨于一個(gè)定值，即最大反應(yīng)速率，這種降解反應(yīng)速率正好符合莫諾特（Monod）的動(dòng)力學(xué)模型。式（2）為Monod動(dòng)力學(xué)模型數(shù)學(xué)公式，由式2看出，Vm值愈大，酶與底物反應(yīng)愈完全，微生物活性愈高。因此，在堆肥實(shí)驗(yàn)過程中，以Vm值來度量垃圾堆肥反應(yīng)進(jìn)程，比較和優(yōu)化堆肥工藝條件。通過圖2和式（2）可知，最大反應(yīng)速率值約為14g/（kg?h)。Kx值為在V=0.5Vm時(shí)對應(yīng)的微生物濃度X，Kx=17g/kg。由于微生物濃度即使很高時(shí)，V也只能接近Vm，而無法等于Vm，因此用圖2所求得的值不準(zhǔn)確。為了準(zhǔn)確求得速率常數(shù)，采用雙倒數(shù)作圖，按式（3），即以微生物濃度倒數(shù)為橫坐標(biāo)，以反應(yīng)速率倒數(shù)為縱坐標(biāo)，結(jié)果如圖3所示。 

式中：k為反應(yīng)速率常數(shù)；ηAv為酶可結(jié)合底物位點(diǎn)；Kx為飽和常數(shù)；Vm為堆肥最大反應(yīng)速率。 
根據(jù)圖3，進(jìn)行回歸分析，回歸方程為： 

直線的截距為0.0353，即1/Vm=0.0353，Vm=18.87g/（kg?h）；直線斜率=Kx/Vm=1.787，Kx=1.787×Vm=33.72g/kg，由實(shí)驗(yàn)法所得的結(jié)果與雙倒數(shù)作圖法所得到的結(jié)果接近。將求得參數(shù)代入方程，得出生活垃圾升溫-高溫階段堆肥反應(yīng)動(dòng)力學(xué)方程： 

對未接種的對照組，分析其堆肥過程中微生物質(zhì)量濃度倒數(shù)和堆肥反應(yīng)速率倒數(shù)之間的關(guān)系（見圖4），并進(jìn)行回歸分析，得出升溫-高溫階段對照組相應(yīng)的動(dòng)力學(xué)方程： 

22高溫-降溫階段動(dòng)力學(xué)分析 
在堆肥反應(yīng)后期，隨著有機(jī)物的分解，堆肥底物濃度越來越少，C/N值也越來越小，底物濃度成為堆肥反應(yīng)速度的限制因素，而微生物濃度充足，為此，本實(shí)驗(yàn)從底物濃度和反應(yīng)速率之間的關(guān)系研究堆肥高溫-降溫階段反應(yīng)動(dòng)力學(xué)，所得結(jié)果如圖5所示。 
由圖5可見，堆肥反應(yīng)速率隨底物濃度的增加，逐漸趨于一個(gè)定值，即最大堆肥反應(yīng)速率。假設(shè)這種降解反應(yīng)速率符合莫諾特(Monod)動(dòng)力學(xué)模型，該模型對底物濃度來說其數(shù)學(xué)公式為式(6)和式（7)。 

式中：Km為半速系數(shù)，g/kg。 


圖5接種組堆肥底物反應(yīng)速度與濃度的關(guān)系 
Vm值越大，Km越小，反應(yīng)越徹底，底物與酶的反應(yīng)愈完全，按式(7），以堆肥反應(yīng)速率倒數(shù)為縱坐標(biāo)，以底物濃度倒數(shù)為橫坐標(biāo)作圖，結(jié)果如圖6和圖7所示。由圖6和圖7推得生活垃圾高溫-降溫階段堆肥反應(yīng)接種和不接種動(dòng)力學(xué)方程為式（8）和式(9)。 



圖6接種組堆肥底物反應(yīng)速度倒數(shù)與濃度倒數(shù)的關(guān)系 
2.3討論 
從接種動(dòng)力學(xué)方程可知，堆料中接種復(fù)合微生物菌劑，增加了堆層中微生物的初始濃度，提高了微生物活性，可以使堆料中的有機(jī)物迅速分解，加速堆肥過程。在升溫-降溫階段最友反應(yīng)：速率由對照組的7.905g/（h?kg）提高到接種復(fù)合微生物堆肥系統(tǒng)的18.870g/（h?kg），提高了138.7％；在高溫-降溫階段最大反應(yīng)速率由對照組的10.799g/（h?kg）提高到接種復(fù)合微生物堆肥系統(tǒng)的15.530g/（h?kg），而Km由對照組的272.4g/kg降低為169.4g/kg，下降了103.0g/kg，說明接種復(fù)合微生物菌劑不僅使反應(yīng)速率增大，而且使半速系數(shù)減小，使底物與酶反應(yīng)更完全，有機(jī)物分解更迅速、更徹底。 


圖7對照組堆肥底物反應(yīng)速度倒數(shù)與濃度倒數(shù)的關(guān)系 
即使同一物料在堆肥不同階段反應(yīng)速率亦明顯不同。除了微生物濃度及種群結(jié)構(gòu)的影響，另外還有其他關(guān)鍵因素如kηAv值的差異，反應(yīng)在升溫-高溫階段易降解的物質(zhì)較多，如淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等，這些物質(zhì)的ηAv較高，而高溫-降溫階段淀粉、蛋白質(zhì)、脂肪等易分解物質(zhì)減少，而纖維素、木質(zhì)纖維素等抗拒酶的生物大分子底物增多，這些物質(zhì)與酶的有效結(jié)合部位少，從而ηAv值較低，因此即使同一種物料、同樣的菌劑在堆肥不同階段kηAv也不相等，即最大反應(yīng)速率不等。 
從圖2看，當(dāng)X<33.72g/kg時(shí)，底物降解速度隨微生物濃度增加，提高很快，即提高了微生物濃度就會增加固體底物的分解率。對于新鮮生活垃圾初始階段微生物濃度一般都不太高，且由于各種因素其土著微生物的生長存在一段延遲期，從而影響了堆肥反應(yīng)速率，并且在開始階段大量有機(jī)物如不能及時(shí)好氧分解，必然會產(chǎn)生大量臭氣，影響堆肥環(huán)境。因此，微生物分解能力是堆肥速率限制因素，任何能增加微生物總量活性及改善生長微環(huán)境的措施都是有意義的。接種劑中不僅含有大量有利于堆肥的微生物，且能在一定程度上改善堆肥環(huán)境，如增加孔隙率調(diào)節(jié)C/N值等，所以在堆肥初期添加接種劑有利于提高堆肥效率。 
堆肥后期僅增加微生物量無益于提高堆肥效率，但由于堆肥反應(yīng)速率常數(shù)k值隨微生物種類的不同而改變，而微生物種類千差萬別，其對有機(jī)物的分解能力是大不相同的，如對于堆肥后期存在的木質(zhì)纖維素，一般微生物根本無法將其降解，k值非常小，而對于所接種的含有白腐菌、康氏木霉的復(fù)合微生物菌劑它們對木質(zhì)纖維素的分解能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于一般微生物，因此k值較大。由此可知，堆肥后期階段接種微生物后使kηAv增大，Km值減小，從而使堆肥反應(yīng)速率大大增加，反應(yīng)更為徹底，縮短了堆肥腐熟周期。3結(jié)語 
根據(jù)堆肥不同階段反應(yīng)限制因素的不同，從堆肥動(dòng)力學(xué)理論基礎(chǔ)出發(fā)，結(jié)合實(shí)際堆肥數(shù)據(jù)，利用Monod模型，分別對堆肥升溫-高溫階段、高溫-降溫階段進(jìn)行動(dòng)力學(xué)分析，得出了升溫-高溫階段高溫-降溫階段接種堆肥和對照組的動(dòng)力學(xué)方程，較好地反映了堆肥的過程。 
從接種和不接種來看，無論升溫-高溫階段還是高溫-降溫階段均表現(xiàn)出較大差異，一方面接種使堆肥最大反應(yīng)速率增大，另一方面接種減小了半速系數(shù)，這對于一次發(fā)酵的快速完成和二次發(fā)酵的快速腐熟均具有重要的意義。 
參考文獻(xiàn)略